DE102007023853B4

DE102007023853B4 - Zweidimensionaler Positionssensor

Info

Publication number: DE102007023853B4
Application number: DE102007023853.5A
Authority: DE
Inventors: Harald Philipp; Luben Hristov
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Neodron Ltd
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: DE102007023853A1; CN101089802B; TWI424337B; CN101089802A; JP2007323650A; DE202007007345U1; GB0610770D0; KR101325875B1; GB2439614B; GB2439614A; TW200813797A; KR20070115744A

Abstract

Zweidimensionaler Positionssensor, umfassend ein Substrat (40) mit einer empfindlichen Fläche, die durch ein Elektrodenmuster, das Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) zur Bestimmung einer x-Position und Elektroden (10, 12) zur Bestimmung einer y-Position beinhaltet, definiert ist, wobei die x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) und y-Elektroden (10, 12) sich in einer x-Richtung erstrecken und in einer dazu senkrechten y-Richtung verschachtelt sind, und wobei die x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) derart geformte erste, zweite und dritte Gruppen von Elementen umfassen, dass sich benachbarte Elemente der ersten und der zweiten Gruppe miteinander in der x-Richtung über einen Abschnitt (I) der empfindlichen Fläche erstrecken und sich benachbarte Elemente der zweiten und der dritten Gruppe miteinander in der x-Richtung über einen anderen Abschnitt (II) der empfindlichen Fläche erstrecken, so dass die x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) jeweils verhältnisbezogene kapazitive Signale bereitstellen, welche die empfindliche Fläche in der x-Richtung überspannen, ein Zentralrückgrat (26), das sich von der Peripherie der empfindlichen Fläche in der y-Richtung erstreckt, um die Elemente (18, 20) der dritten Gruppe der x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) zusammenzuschalten, welche sich von beiden Seiten des Zentralrückgrates (26) erstrecken, dabei den Elementen (18, 20) der dritten Gruppe von x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) erlaubt, extern von der Peripherie der empfindlichen Fläche kontaktiert zu werden, eine Vielzahl von externen elektrischen Leitungen, die mit den Elektroden in der Peripherie der empfindlichen Fläche verbunden sind, beinhaltend: eine elektrische Leitung (34), die mit dem Zentralrückgrat (26) verbunden ist, dabei die dritte Gruppe der x-Elektroden (18, 20) kontaktiert, wobei das Zentralrückgrat (26) die empfindliche Fläche in eine linke und eine rechte Seiten unterteilt; eine elektrische Leitung (32) die mit den Elementen (14) der ersten Gruppe von x-Elektroden (14, 24) auf der linken Seite des Zentralrückgrates (26) verbunden ist; eine elektrische Leitung (36), die mit den Elementen (24) der ersten Gruppe von x-Elektroden (14, 24) auf der rechten Seite des Zentralrückgrates (26) verbunden ist; eine elektrische Leitung (30), die mit den Elementen (16) der zweiten Gruppe von x-Elektroden (16, 22) auf der linken Seite des Zentralrückgrates (26) verbunden ist; ...

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft zweidimensionale kapazitive Positionssensoren, die typischerweise durch einen menschlichen Finger oder einen Stift betätigt werden. Beispielvorrichtungen beinhalten Berührungsbildschirme und Berührungsfelder, besonders jene aus Flüssigkristallanzeigen (LCDs), oder Kathodenstrahlröhren (CRTs) und anderen Typen von Anzeigen oder Stifteingabetafeln oder Encoder, die in Maschinen zu Rückkopplungssteuerungszwecken verwendet werden.
Beschreibungen der Stift- oder Berührungseingabe datieren bis wenigstens 1908 zurück, wie durch das Patent DE 203,719 [1] dargestellt.
Berührungsbildschirme und Zeigegeräte wurden nicht nur in Verbindung mit Personal-Computern sondern auch in allen Arten von anderen Vorrichtungen wie Kleincomputern (PDAs), Kassen (point of sale terminals, POS), elektronischen Informations- und Kartenverkaufsständen, Küchenanwendungen und ähnlichem zunehmend beliebt und gebräuchlich. Diese Vorrichtungen entwickeln sich kontinuierlich in kostengünstigere Produkte und als ein Ergebnis, besteht eine Notwendigkeit für stets niedrigere Produktionskosten bei Aufrechterhaltung hoher Qualitäts- und Robustheitsgrade.
Berührungsbildschirme fallen allgemein in zwei Kategorien, nämlich kapazitive und resistive Berührungsbildschirme.
Für kapazitive Vorrichtungen wird der Ausdruck „zweidimensionaler kapazitiver Umformer” oder „2DCT” als ein allgemeiner Ausdruck für Berührungsbildschirme, Berührungserfassungsfelder, Näherungserfassungsfelder, Anzeigeüberlagerungs-Berührungsbildschirmen über LCD-, Plasma- oder CRT-Bildschirmen oder Ähnliches, Positionserfassung für mechanische Vorrichtungen oder Rückkopplungssystemen oder ohne Einschränkung andere Typen von Steuerungsoberflächen, die eine Oberfläche oder ein Volumen haben, welche zur Meldung wenigsten einer zweidimensionalen kartesischen oder sonstigen Koordinate geeignet sind, die die Position eines Objektes oder menschlichen Körperteils betreffen, mittels eines kapazitiven Erfassungsmechanismusses verwendet.
Für resistive Vorrichtungen wird der Ausdruck „zweidimensionaler resistiver Umformer” oder „2DRT” als ein allgemeiner Ausdruck verwendet, um auf Berührungsbildschirme oder Stifteingabe-Vorrichtungen, die auf reinen galvanischen Prinzipien beruhen, zu verweisen.
Der Ausdruck „2DxT” bezieht sich entweder auf Elemente des 2DCT- oder des 2DRT-Typs.
Der Ausdruck „berühren” bedeutet berühren oder Näherung durch ein menschliches Körperteil oder eine mechanische Komponente mit genügender kapazitiver Signalstärke, um einen gewünschten Output zu generieren. Im Sinne von „Näherung” kann berühren auch auf einen 2DCT, ohne einen physikalischen Kontakt herzustellen, „zeigen” bedeuten, wobei der 2DCT auf die Kapazität aus einer genügenden Näherung des Objektes anspricht, die ausreichend ist, um richtig zu reagieren.
Der Ausdruck „Element” bezieht sich auf das aktive Erfassungselement eines 2DCT oder 2DRT. Der Ausdruck „Elektrode” bezieht sich auf einen Verbindungspunkt an der Peripherie des Elementes.
Der Ausdruck „Streifen” bezieht sich auf einen elektrischen Linienleiter, der ein Komponententeil eines Elementes ist, welcher zwei Enden hat. Ein Streifen kann ein Draht sein. Ein Streifen kann mit Absicht substanziellen galvanischen Widerstand besitzen, wohingegen ein Draht minimalen Widerstand besitzt. Wenn das Element, von welchem er ein Teil ist, physikalisch gekrümmt ist, wird der Streifen auch physikalisch gekrümmt sein.
Der Ausdruck „Nadelkissen” bezieht sich auf jegliche Verzerrung des Signals eines 2DCT, ob parabolisch, tonnenförmig oder anderer Form von 2D dimensionalem Abbildungsfehler.
Bei vielen 2DCT-Typen ist es bekannt, dass sie unter geometrischer Verzerrung, die als „Nadelkissen” oder „hyperbolisch” oder „parabolisch” charakterisiert werden, leiden, wobei die gemeldete Berührungskoordinate wegen elektrischer Effekte auf der Erfassungsoberfläche fehlerhaft ist. Diese Effekte werden eingehender in verschiedenen anderen Patenten, zum Beispiel in Pepper US 4,198,539 [2] beschrieben, welche durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt dieser Schrift aufgenommen werden. Eine exzellente Zusammenfassung der bekannten Gründe, Lösungen und Probleme der Lösungen zur geometrischen Verzerrung kann in einem Lesestoff von Babb et al, in US 5,940,065 [3] und US 6,506,983 [4], gefunden werden, welche durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt dieser Schrift aufgenommen werden. US 5,940,065 [3] beschreibt kurz und bündig die zwei wesentlichen Korrekturklassen: 1) Elektromechanische Verfahren, die das Design oder eine Modifikationen der Erfassungsoberfläche oder der Verbindungselektroden betreffen; 2) Modellierungsverfahren, die mathematische Algorithmen zur Korrektur der Verzerrungen verwenden.
Elektromechanische Verfahren
Kantenmanipulation eines Flächenelementes: Küpfmüller et al. lösen in US 2,338,949 [5] (eingereicht 1940) das Problem der Kantenverzerrung in einem 2DRT Elektrographen durch Verwendung sehr langer rechteckiger Enden, die eine kleine nutzbare Fläche umschließen. Küpfmüller nimmt einen weiteren Ansatz durch Schlitzen der vier Enden in Streifen vor; diese Streifen dringen nicht auf die Benutzereingabefläche vor, wirken aber, um den Widerstand des Stromflusses in einer anisotropen Art und Wiese entlang Seiten, die parallel zum Stromfluss sind, zu erhöhen. Diese Idee tritt wieder in leicht unterschiedlicher Form in Yaniv et al., US 4,827,084 [6] fast 50 Jahre später auf. Küpfmüller bleibt der zur vorliegenden Erfindung ähnlichste Stand der Technik.
Becker erscheint der Erste zu sein, der in US 2,925,467 [7] einen 2DRT Elektrographen zu beschreibt, wobei nichtlineare Kanteneffekte durch Verwendung eines sehr niedrig resistiven Kantenmaterials relativ zum Flächenwiderstand des Elements geeignet eliminiert werden. Dieses Verfahren kann auch verwendet werden, um einen 2DCT zu konstruieren.
In den Patenten US 4,198,539 [2], US 4,293,734 [8] und US 4,371,746 [9] beschreibt Pepper Verfahren der Linearisierung eines 2DCTs durch Manipulieren der Kantenwiderstandsstruktur des Elementes.
In US 4,822,957 [10] beschreibt Talmage ein ähnliches Kantenmuster als Pepper im Zusammenhang mit einem 2DRT-Element und einer Aufnehmerfolie. Vielzählige andere derartige Patente unter Verwendung verschiedener Verfahren wurden erteilt und das Gebiet bleibt bis heute ein Ergiebiges für neue Patente. Es ist herausgefunden worden, dass diese Verfahren sehr schwer zu entwickeln und zu reproduzieren sind und sie auf Fehler, die durch die differentielle thermische Erwärmung hervorgerufen werden, und Produktionsprobleme anfällig sind. Sehr kleine Mengen eines örtlich begrenzten Fehlers oder einer Drift kann substantielle Änderungen in der Koordinatenantwort verursachen. Der niedrige Widerstand der gemusterten Kantenstreifen verursacht Probleme mit dem Treiberschaltkreis, zwingt den Treiberschaltkreis mehr Leistung zu verbrauchen und viel teurer zu sein als anderweitig. Es gibt eine signifikante Anzahl von Patenten, die auf die Pepper Patente Bezug nehmen und welche vorgeben, ähnliche Dinge zu machen. Die Verbesserungen, die durch Pepper usw. gegenüber Becker geliefert werden, sind wohl geringfügig, während wenigstens Becker leichter und wiederholbarer herzustellen ist.
Kantenwiderstand mit Drahtelement: In US 4,678,869 [11] offenbart Kable eine 2D-Anordnung für eine Stifteingabe, die resistive Teilerketten auf zwei Achsen mit höchst leitfähigen Elektroden, die mit den Ketten verbunden sind, verwendet, wobei die Elektroden einen unbeabsichtigten Widerstand für Nachweiszwecke haben und das Nachweissignal aus dem zwischen zwei benachbarten Elektroden generierten Signal interpoliert wird. Der unbeabsichtigte Widerstand verursacht im Ansprechverhalten einen geringfügigen Nadelkissenbetrag. Dieses Patent beschreibt auch ein algorithmisches Mittel, die geringfügige Nadelkissenverzerrung auszugleichen, die durch diese Technik entwickelt wurde. Das Kable-Verfahren ist außer mit einem verbundenen Stift nicht betreibbar, das heisst es wird nicht beschrieben, auf einen menschlichen Finger zu reagieren. Das Kable Patent benötigt Kreuzungen zwischen Leitern und benötigt deswegen drei Konstruktionsschichten (Leiter, Isolator, Leiter).
Vielfache Aktiv-Kanten-Elektroden: In US 3,699,439 [12] offenbart Turner einen gleichmäßig resistiven Bildschirm mit einem aktiven Prüfkopf, der, zur Linearisierung des Ergebnisses, vielfache Elektrodenverbindungen an allen vier Seiten besitzt.
Yoshikawa et al in US 4,680,430 [13] und Wolfe in US 5,438,168 [14] lehren 2DCTs, die auf jeder Seite vielfache Elektrodenpunkte (gegenüberliegend zu den Ecken) verwenden, um eine Nadelkissenreduktion durch Reduzierung der Wechselwirkung des Stromflusses von den Elektroden auf einer Achse mit den Elektroden der Anderen zu erleichtern. Während das Element ein einfacher Schichtwiderstand ist, beinhaltet dieser Ansatz große Anzahlen aktiver elektronischer Verbindungen (wie zum Beispiel lineare Anordnungen von Dioden oder MOSFETs) an jedem Verbindungspunkt in sehr naher Umgebung zum Element.
In US 4,649,232 [15] lehrt Nakamura ähnliches wie Yoshikawa und Wolfe, allerdings mit einem resistiven Aufnahmestift.
Sequentiell abgetastetes Streifenelement: Greanias et al. in US 4,686,332 [16] und US 5,149,919 [17], Boie et al. in US 5,463,388 [18] und Landmeier in US 5,381,160 [19] lehren Verfahren der Elementerfassung unter Verwendung von alternierend, unabhängig getriebenen und erfassten Streifenleitern, sowohl in der x- als auch in der y-Achse, von welchen eine Position einer Fingerberührung oder, durch eine Aufnahmevorrichtung, eines Tastsiftes interpretiert wird. Die Konstruktion beinhaltet vielfache Materialschichten und eine Sonderverarbeitung. Greanias lehrt die Verwendung der Interpolation zwischen den Streifen, um eine höhere Auflösung in beiden Achsen zu erreichen. Beide benötigen drei oder mehrere Schichten, um Übersprechen der Leiter innerhalb des Elementes zu erlauben. Beide beruhen auf Messungen der Kapazität auf jedem Streifen, nicht auf dem Betrag der Querkopplung von einem Streifen zu einem Anderen. Boie lehrt auch eine spezielle Schutzebene.
In US 5,844,506 [20] und US 6,137,427 [21] lehrt Binstead einen Berührungsbildschirm, der diskrete, dünne Drähte in einer Art ähnlich zu jenen, die durch Kable, Allen, Gerpheide und Greanias gelehrt wurden, verwendet. Binstead verwendet sehr feine Zeilen- und Spaltendrähte, um Transparenz zu erreichen. Dieses Patent lehrt auch das Greanias Verfahren der Interpolation zwischen Elektrodendrähten, um höhere Auflösung zu erreichen. Die Abtastung beruht auf Messungen der Kapazität auf jedem Streifen bezüglich Masse, nicht auf dem Betrag der Übersprechkopplung von Einem zum Anderen.
In US 4,733,222 [22] beschreibt Evans auch ein System, worin Streifen sequentiell in beiden X- und Y-Achsen betrieben werden, wobei auch eine externe Anordnung von Kapazitäten verwendet wird, um Erfassungssignale über einen Kapazitätsteilungseffekt zu erzielen. Interpolation wird verwendet, um feinere Auflösungen, als durch die Streifen alleine möglich, zu schätzen.
In US 3,921,166 [23] beschreibt Volpe eine mechanische Tastatur mit diskreten Tasten, die ein kapazitives Abtastungsverfahren verwendet. Sie hat sequentiell betriebene Eingabezeilen und sequentiell erfasste Spalten. Der Druck einer Taste erhöht die Kopplung von einer Zeile zu einer Spalte und auf diese Art kann eine n-Tasten überlappende Eingabe erreicht werden; es besteht keine Notwendigkeit der Interpolation. Obwohl kein 2DCT, sagt Volpe eine 2DCT-Technologie eines erfassten Streifenelements voraus. Mein eigenes Patent, US 6,452,514 [24] fällt auch in diese Sensorklassifikation.
In US 5,181,030 [25] offenbart Itaya einen 2DRT mit resistiven Streifen, welche unter Druck mit einer resistiven Ebene koppeln, welche die Position eines Kontaktes ausliest. Die Streifen oder die Ebene besitzen einen ihnen aufgezwungenen 1D-Spannungsgradienten, so dass die Kontaktstelle auf dem jeweiligen Streifen leicht identifiziert werden kann. Jeder Streifen benötigt seine eigene, mindestens eine Elektrode umfassende Verbindung.
Zyklisch abgetastetes Streifenelement: In US 5,305,017 [26] lehrt Gerpheide et al. eine kapazitäts-basierte Berührungsfeld-Computer-Zeigevorrichtung, die mehrlagige, orthogonale Anordnungen überlappender, durch Isolatoren separierter, metallischer Streifen verwendet. Die Erfassungslinien sind in einem zyklisch wiederholenden Muster angeordnet, um Treiberschaltkreisanforderungen zu minimieren. Eine zyklische Natur der Verdrahtung der Erfindung verhindert die Verwendung dieser Art des 2DCT für eine absolute Positionsbestimmung. Die Erfindung ist für Berührungsfelder geeignet, die verwendet werden, um Mäuse zu ersetzen, wo die tatsächliche Ortsbestimmung nicht erforderlich ist und nur eine relative Bewegungserfassung wichtig ist. Gerpheide lehrt ein Verfahren der Signalbalance zwischen zwei an der Berührungsstelle gegenphasigen Signalen.
Parallel ausgelesene Streifenelemente: In US 5,914,465 [27] lehren Allen et al. ein Element mit Zeilen- und Spaltenabtaststreifen, welche durch einen Analogschaltkreis parallel ausgelesen werden. Das Patent beansprucht niedrigeres Rauschen und schnellere Ansprechzeiten als sequentiell abgetastete Elemente. Das Verfahren ist besonders für Berührungsfelder zum Mausersatz geeignet, aber es läßt sich nicht gut an größere Formen skalieren. Wie bei allen Streifenelement 2DCTs werden Vielfachkonstruktionsschichten benötigt. Das Allen-Verfahren benötigt einen hohen Intergrationsgrad und hohe Anzahlen von Verbindungspins. Es interpoliert, um eine höhere Auflösung als durch die Anzahl unverarbeiteter Streifen zu erreichen.
Philipp beschreibt in WO 04/040240 [28], „Charge Transfer Capacitive Position Sensor”, in Verbindung mit 12 ein Verfahren der Verwendung individuell resistiver 1-D-Streifen, um einen Berührungsbildschirm zu schaffen. Diese Streifen können entweder parallel oder sequentiell abgefragt werden, da die Verbindungen zu diesen Streifen unabhängig zueinander sind. Weiterhin ist in Verbindung mit 6 eine interpolierte Kopplung zwischen benachbarten, konzentrierten Elektrodenelementen und einem Objekt, wie zum Beispiel einem Finger, beschrieben. Die WO 04/040240 [28] wird durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt dieser Schrift aufgenommen.
Philipp beschreibt in WO 2005/020056 [29] einen Positionssensor mit ersten und zweiten resistiven Busschienen, die durch einen anisotropen leitfähigen Bereich zwischen ihnen (siehe 3 hiervon) getrennt sind. Elektrische Ströme, die in dem anisotropen, leitfähigen Bereich durch Berührung oder Annäherung induziert werden, fließen vorzugsweise in Richtung der Busschienen, um durch einen Nachweisschaltkreis erfasst zu werden. Weil die induzierten Ströme, zum Beispiel jene durch den Treiberschaltkreis induzierten Ströme, vorzugsweise entlang einer Richtung fließen, sind Nadelkissenverzerrungen in Positionsabschätzungen weitgehend auf diese einzige Richtung beschränkt. Solche eindimensionalen Verzerrungen können sehr einfach durch Anwendung skalarer Korrekturfaktoren korrigiert werden, wodurch das Erfordernis einer komplizierten Vektorkorrektur vermieden werden kann. Dies stellt ein 2D Muster leitfähigen Materials zur Kapazitätserfassung hinter einer Kunststoff- oder Glasfrontplatte oder einem sonstigen Dielektrikum, welches als 2DxT verwendet werden kann, ob in dem Format eines Berührungsbildschirms oder eines Berührungsfeldes, bereit. Der Leiter kann klar (undurchsichtig) sein, zum Beispiel kann er aus Indium-Zinn-Oxid bestehen, um eine geeignete transparente Deckschicht für eine Anzeige oder eine sonstige Unterstützung bereitzustellen.
Dieser Ansatz funktioniert gut für relativ kleine Bildschirmgrößen bis zu ungefähr einer 2 Inch-Diagonalen (50 mm), die für ein Mobiltelefon geeignet ist, aber die Leistungsfähigkeit degradiert mit größeren Schirmen, wie sie zum Beispiel für einige Elektro-Haushaltsgeräte benötigt werden, zum Beispiel einem Mikrowellenofen. Außerdem kann der Handschatteneffekt Probleme mit diesem Design erzeugen.
Philipp beschreibt in US 6,288,707 [30] einen kapazitiven Positionssensor, der beabsichtigt ist, als Teil einer Computerzeigevorrichtung zu funktionieren, welche verhältnisbezogene, kapazitive Erfassungstechniken anwendet. Eine Anordnung von gemusterten metallischen Elektroden wird auf einer isolierenden Substratschicht angeordnet, wobei die Elektrodengeometrie ausgewählt ist, eine variierende kapazitive Ausgabe zu generieren, während ein Benutzerfinger sich über die Elektrodenanordnung bewegt.
1 der beigefügten Zeichnungen gibt 4 von US 6,288,707 [30] wieder. Eine Anordnung von gemusterten metallischen Elektroden ist auf einer isolierenden Schicht angeordnet, wobei die Elektrodengeometrie ausgewählt ist, um eine variierende kapazitive Ausgabe zu generieren, während ein Benutzerfinger sich über die Elektrodenanordnung bewegt. Diese Anordnung umfasst vier durchsetzte Elektrodensätze, zwei für jede Dimension. Die x-Achsensätze, welche dreieckig sind, sind leichter zu sehen und zu verstehen. Ein erster Satz von Dreiecken 1 ist elektrisch miteinander mit einem Ausgabebus verbunden, der als X1 bezeichnet ist. Der zweite Satz ist auch miteinander mit einer Ausgabe verbunden, die mit X2 gekennzeichnet ist. Hinsichtlich der x-Achse kann die Position einer Benutzerhand aus dem Verhältnis der Signale von X1 und X2 ermittelt werden. Da die Kapazität direkt proportional zum Oberflächenbereich ist und da die mit X1 verbundenen Platten nach links einen größeren Oberflächenbereich aggregieren als die mit X2 verbundenen Platten (und umgekehrt), ist die Fähigkeit, das Verhältnis von X1/X2 oder X2/X1 zu bilden, so lange bewahrt, wie ein genügend großer Fingerbereich über dem Muster in einem genügend nahen Abstand ist, um eine genügende Signalstärke zu liefern. Ein entsprechender Plattensatz ist mit den Y1 und Y2 Bussen verbunden. Der mit Y verbundene Satz ist auch verhältnisbezogen, obwohl auf eine unterschiedliche Weise zu den X-Sätzen. Der Y-Satz besteht aus alternierenden mit Y1 verbundenen und mit Y2 verbundenen rechteckigen Streifen 3 bzw. 4, die eine y-Achsen Dimension haben, die mit der Platzierung in einer Art variiert, um ein gleichmäßig variierendes Verhältnis des Oberflächenbereiches zwischen Y1 und Y2 mit dem Ort zu erzeugen. Die Summe jedes benachbarten Paares der y-Achsenstreifen 3 und 4 wird konstant gemacht, so dass die Summe der Kapazität für irgendzwei gepaarte Streifen die Gleiche ist, das heisst C(Y1) + C(Y2) = C(Y) für jedes Streifenpaar. Wenn sich der Benutzerfinger entlang der y-Achse bewegt, dann wird das nachgewiesene Kapazitätsverhältnis auf die gleiche Art wie das C(X1)/C(X2)-Verhältnis gemessen, das heisst der größte Wert wird der Zähler.
Dennoch weist dieses Design eine begrenzte Leistungsfähigkeit für die 2DCT Dimension in der x-Richtung auf.
Numerische Verfahren
In US 4,650,926 [31] beschreibt Nakamura ein System für eine numerische Korrektur eines elektrografischen Systems wie z. B. einer Schreibtafel, das ein Nachschlagetabellensystem verwendet, um unverarbeitete 2D Koordinatendaten zu korrigieren.
In US 5,101,081 [32] beschreibt Drum ein System zur numerischen Korrektur eines elektrografischen Systems wie zum Beispiel einer Schreibtafel über entfernte Mittel.
In US 5,157,227 [33] lehrt McDermott ein numerisches Verfahren der Korrektur eines 2DxT, der gespeicherte Konstanten verwendet, welche während des Betriebes verwendet werden, um ein oder mehrere Polynome zu steuern, um den Ort der gemeldeten Berührung über dem Teilgebiet oder den Quadranten zu korrigieren.
In US 5,940,065 [3] und 6,506,983 [4] lehren Babb et al. ein numerisches Verfahren, um ein gleichförmiges Flächenelement eines 2DxT unter Verwendung von Koeffizienten zu linearisieren, die während eines Lernprozesses ohne Segementierung in Zonen oder Quadranten und auf einer individuellen Einheitsbasis bestimmt wurden, um sogar geringfügige Prozessvariationen zu korrigieren. Die durch Babb offenbarten Verfahren sind komplex und beinhalten „80 Koeffizienten” und Polynome vierter Ordnung, von welchen die Koeffizienten durch ein rigoroses und zeitraubendes Kalibrierungsverfahren bestimmt werden müssen. In Tests, die durch den Erfinder beaufsichtigt wurden, wurde herausgefunden, dass Polynome 6. Ordnung benötigt werden, um Genauigkeitsgrade zu bewirken, die im normalen Gebrauch akzeptabel sind, und dass das Ergebnis immer noch höchst anfällig auf die kleinsten nachfolgenden Variationen der Nachkalibrierung aufgrund der Wärmedrift oder Ähnlichem sind. Im Besonderen wurde gefunden, dass die Eckverbindungen extremen Beitrag zu Langzeitkoordinatenfluktuationen liefern, da sie als Singularitäten mit einem hohen Gewinnfaktor hinsichtlich der Verbindungsgröße und Qualität agieren. Das Verfahren der numerischen Korrektur benötigt weiterhin hochauflösende digitale Konversionen, um überhaupt mäßige Auflösungsausgaben zu produzieren. Zum Beispiel wurde gefunden, dass ein 14-bit ADC benötigt wird, um ein Qualitäts-9-bit-Koordinateergebnis bereitzustellen. Der zusätzliche Aufwand und die Leistung, die für das Verstärkersystem und den ADC benötigt werden, können in vielen Anwendungen unerschwinglich sein.
Die Druckschrift US 2003/0102875 A1 beschreibt einen Positionssensor, bei dem eine Positionsbestimmung über Messungen der Kapazität zwischen Elektrodenflächen erfolgt. Die Verwendung verhältnisbezogener kapazitiver Signale zur Positionsermittlung ist an sich aus der Druckschrift US 2005/0270039 A1 bekannt.
Trotz der beträchtlichen vorausgehenden Arbeit auf diesem Gebiet gibt es immer noch einen Bedarf für einen preiswerten, einschichtigen 2DCT mit einer relativ geringen Anzahl externer Verbindungen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen derartigen Positionssensor zu schaffen. Dies wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt einen zweidimensionalen Positionssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereit.
Die x-Elektroden können weiter eine vierte Gruppe von Elementen umfassen, und benachbarte Elemente der dritten und vierten Gruppe erstrecken sich gemeinsam über einen noch weiteren Abschnitt der empfindlichen Fläche, so dass die x-Elektroden jeweils verhältnisbezogene, kapazitive Signale bereitstellen, die die empfindliche Fläche in der x-Richtung überspannen.
Dieses Prinzip kann ausgedehnt werden, um eine fünfte und weitere Gruppen von Elektroden hinzuzufügen. Topologisch kann das Prinzip bis ins Unendliche erweitert werden. Dennoch wird die Dicke der Elektrodendurchführungen zu den peripheren Randbereichen der empfindlichen Fläche zur externen Kontaktierung in der Realität dünner und dünner, so dass es an irgendeinem Punkt unpraktisch wird, weitere Elektrodengruppen hinzuzufügen, wie dies durch Rauschbetrachtungen und andere relevante Faktoren bestimmt wird.
In Ausführungsformen der Erfindung sind eine Vielzahl von externen elektrischen Leitungen mit den Elektroden in der Peripherie der empfindlichen Fläche verbunden und beinhalten: Jeweils elektrische Leitungen, die mit den Elementen jeder der x-Elektrodengruppen verbunden sind; und eine Vielzahl von elektrischen Leitungen, die mit den y-Elektroden verbunden sind.
In einer Gruppe von Ausführungsformen ist ein Zentralrückgrat bereitgestellt, das sich von der Peripherie der empfindlichen Fläche in der y-Richtung erstreckt, um die Elemente der dritten x-Elektrodengruppe zusammen zu schalten, welche sich von beiden Seiten des Zentralrückgrats erstrecken, wodurch den Elementen der dritten x-Elektrodengruppe ermöglicht wird, extern von der Peripherie der empfindlichen Fläche kontaktiert zu werden.
Vorzugsweise erstreckt sich das Rückgrat kontinuierlich über die empfindliche Fläche von oben nach unten, in welchem Fall ein einziger externer Kontakt, der entweder am oberen Ende oder am unteren Ende der empfindlichen Fläche angeordnet ist, genügen würde. Alternativ kann das Rückgrat aufgeteilt sein, in welchem Fall zwei externe Kontakte an der Peripherie der empfindlichen Fläche gebraucht würden, einer am oberen Ende und einer am unteren Ende der empfindlichen Fläche.
Wenn ein Rückgrat bereitgestellt wird, können die entsprechenden y-Elektroden auf beiden Seiten des Rückgrats auf der gleichen Höhe, das heisst der gleichen y-Position, gemeinsam verbunden werden, um die Verwendung externer zusätzlicher Verbindungsleitungen zu sparen. Zum Beispiel kann eine einzelne externe Verbindungsleitung mit y-Elektroden auf beiden Seiten des Rückgrats durch eine um die Peripherie der empfindlichen Fläche herumlaufende Leiterbahn verbunden sein.
In den Rückgratausführungsformen kann eine Vielzahl von externen elektrischen Leitungen verwendet werden, um die Elektroden in der Peripherie der empfindlichen Fläche zu verbinden, die beinhalten: eine elektrische Leitung, die mit dem Zentralrückgrat verbunden ist und dabei die dritte Gruppe von x-Elektroden kontaktiert, das Zentralrückgrat, das theoretisch die empfindliche Fläche in linke und rechte Seite teilt; eine elektrische Leitung, die mit den Elementen der ersten x-Elektrodengruppe auf der linken Seite des Zentralrückgrats verbunden ist; eine elektrische Leitung, die mit den Elementen der ersten x-Elektrodengruppe auf der rechten Seite des Zentralrückgrats verbunden ist; eine elektrische Leitung, die mit den Elementen der zweiten x-Elektrodengruppe auf der linken Seite des Zentralrückgrats verbunden ist; eine elektrische Leitung, die mit den Elementen der zweiten x-Elektrodengruppe auf der rechten Seite des Zentralrückgrats verbunden ist; und eine Vielzahl von elektrischen Leitungen, die mit den y-Elektroden verbunden sind.
Die x-Elektroden können in einer Vielfalt topologischer Formen strukturiert sein, um die gemeinsame Erstreckung bereitzustellen.
Zum Beispiel können die Elemente der jeweiligen x-Elektrodengruppen, welche sich gemeinsam erstrecken, komplementäre Verjüngungen über ihre Distanz der gemeinsamen Erstreckung haben, um verhältnisbezogene kapazitive Signale bereit zu stellen. Alternativ haben die Elemente der jeweiligen x-Elektrodengruppen, welche sich gemeinsam erstrecken, benachbarte Felder mit einer über ihrer Distanz der Erstreckung in x-Richtung variierenden Fläche, um verhältnisbezogene kapazitive Signale bereit zu stellen.
Als Beispiel können, bezugnehmend auf eine Ausführungsform mit einem Zentralrückgrat und ersten, zweiten und dritten x-Elektrodengruppen, die ersten und dritten Elemente zur oder von jeweils der Peripherie und dem Rückgrat verjüngt sein und die zweiten Elemente besitzen eine doppelte Verjüngung, um die Verjüngungen der ersten und dritten Elemente zu ergänzen. Alternativ können die ersten und dritten Elemente in einer unterschiedlichen Implementation der gleichen Ausführungsform anstatt Verjüngungen die Form von zusammengeschalteten Feldern mit abnehmender Fläche zu oder von jeweils der Peripherie und dem Rückgrat einnehmen und die zweiten Elemente haben Felder mit variierender Fläche, um die Felder der ersten und dritten Elemente zu ergänzen.
Die y-Elektroden werden individuell und/oder in Gruppen mit externen elektrischen Leitungen verbunden, wodurch sie die Ortsinformation in der y-Richtung bereitstellen. Dies ist ein einfacher und bewährter Ansatz, in welchem die y-Positionsinformation von der Leitung, auf welcher das Signal erscheint, einfach abgeleitet wird. Zusätzlich kann, wenn ein signifikantes Signal auf mehr als einer elektrischen Leitung erscheint, Interpolation oder eine andere Näherungsmethode verwendet werden. Typischerweise wird es nicht genügend externe Leitungen geben, um jeder y-Elektrode eine externe Leitung zu vergeben. Folglich wird es notwendig sein, benachbarte Elektroden zusammen zu scharen, zum Beispiel durch Verwendung leitfähiger Metallleiterbahnen, die zu der externen Leitung führen. Zum Beispiel können die y-Elektroden in Zweier-, Dreier- und Vierer-Gruppen gruppiert werden.
Die y-Elektroden können durch resistive Elemente zusammengeschaltet werden, so dass verhältnisbezogene, kapazitive Signale durch externe, elektrische Leitungen, die mit einer Teilmenge von y-Elektroden verbunden sind, ausgegeben werden, wodurch sie die Ortsinformation in der y-Richtung bereitstellen. In dieser Implementierung sind die y-Elektroden verbunden, um einen sogenannten Schieber zu bilden, wie in WO 2004/040240 [28] offengelegt. Besonders wo der widerstandsfähige Streifen auf einer y-Elektrode liegt, wird er aufgrund der Parallelität mit der leitfähigen Elektrode kurzgeschlossen, und wo er sich zwischen benachbarten y-Elektroden erstreckt stellt er eine resistive Zusammenschaltung, wie in 6a von WO 2004/040240 [28] gezeigt, bereit. Das verhältnisbezogene Signal kann dann durch ein Minimum von zwei externen Leitungen an jedem Ende des Schiebers abgenommen werden, das heisst eine Leitung wird mit der oberen y-Elektrode verbunden und die Andere wird mit der unteren y-Elektrode verbunden. Größere Genauigkeit kann durch hinzufügen dazwischenliegender Abnehmer erhalten werden, das heisst durch Hinzufügung einer oder mehrerer zusätzlicher externer Leitungen zu dazwischenliegenden Elektroden. Dieser Ansatz ist ziemlich flexibel, insofern die Anzahl der externen verfügbaren Leitungen im allgemeinen endlich und limitiert ist; eine typische Anzahl ist 11. Sobald die notwendige Anzahl externer Leitungen zugeordnet ist, um die x-Elektroden zu verbinden, können die verbleibenden verfügbaren externen Leitungen mit dem Schieberansatz alle für die y-Elektrodenverbindungen eingesetzt werden.
Die y-Elektroden können in vertikal, benachbarten Gruppen von wenigstens zwei y-Elektroden angeordnet werden, wobei die y-Elektroden von jeder Gruppe unterschiedliche vertikale Erstreckungen haben, so dass verhältnisbezogene, kapazitive Signale durch externe, elektrische Leitungen ausgegeben werden, die mit den unterschiedlichen y-Elektroden jeder Gruppe verbunden sind, wodurch die Positionsinformation in der y-Richtung bereitgestellt wird. Die y-Elektroden jeder Gruppe sind vorzugsweise direkt vertikal benachbart, das heisst sie haben zwischen ihnen keine dazwischentretenden x-Elektroden. Wenn allerdings die x-Elektroden eine kleine Erstreckung in der y-Richtung im Vergleich mit der Größe eines Fingers oder eines anderen vorgesehen Betätigungsglieds, besitzen, dann kann die Gruppe von y-Elektroden dazwischengeschaltete x-Elektroden haben. Dieser verhältnisbezogene Ansatz, der auf der Variierung der vertikalen Erstreckung von y-Elektroden beruht, ist in US 6,288,707 [30] und besonders dort in der Ausführungsform der 4 offengelegt.
Die Elektroden können aus transparentem Material gemacht sein, wie zum Beispiel Indium-Zinnoxid (ITO), oder irgendeinem anderen geeigneten Material. Das Substrat kann auch aus einem transparenten Material bestehen, wie zum Beispiel Glas oder einem transparenten Kunststoffmaterial, z. B. einem Polymethylmethacrylat (PMMA) wie zum Beispiel Perspex, oder einem Cycloolefin Copolymer (COP), wie zum Beispiel Zeonor (TM) oder Topas (TM). Allerdings kann es in einigen Anwendungen der Fall sein, dass die Elektroden und/oder das Substrat lichtundurchlässig sind.
Es versteht sich, dass die x- und y-Richtungen durch ein passendes Koordinatensystem definiert werden, am üblichsten ein kartesisches Koordinatensystem, in welchem sie orthogonal angeordnet sind, obwohl sie auch in einem nicht-orthogonalen Winkel zueinander stehen können. Ferner werden im Folgenden die x- und y-Richtungen manchmal der Einfachheit halber jeweils als horizontal und vertikal bezeichnet, obwohl dies keine besondere Ausrichtung im realen Raum impliziert, wie zum Beispiel relativ zur Richtung der Schwerkraft.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe ausgeführt werden kann, wird nun als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen.
1 ist ein schematischer Grundriss, der das Elektrodenmuster des Standes der Technik für einen 2DCT zeigt.
2 ist ein schematischer Grundriss, der Teile eines Elektrodenmusters für einen 2DCT einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist ein Grundriss eines 2DCT-Prototypen gemäß der ersten Ausführungsform, der das Elektrodenmuster und eine erste Schicht von Verbindungen an der Peripherie des Bereichs des Elektrodenmusters zur Verbindung mit den y-Elektroden zeigt.
4 ist ein Grundriss des 2DCT-Prototypen von 3, der das Elektrodenmuster und eine zweite Schicht von Verbindungen an der Peripherie des Bereichs des Elektrodenmusters zur Verbindung mit den x-Elektroden und auch zur Verbindung der externen Zuführungsleitungen der y-Elektrode mit den in 3 gezeigten Verbindungen der y-Elektrode zeigt.
5 ist eine schematische Systempegel-Zeichnung des Ansteuerungs- und Datenerfassungsschaltkreises der ersten Ausführungsform.
6 ist ein schematischer Grundriss, der Teile eines Elektrodenmusters und y-Verbindungen für einen 2DCT einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist ein schematischer Grundriss ähnlich der 6, der Teile eines Elektrodenmusters und y-Verbindungen für eine Variante der zweiten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein Grundriss eines 2DCT-Prototypen gemäß der zweiten Ausführungsform, der das Elektrodenmuster und eine erste Schicht von Verbindungen an der Peripherie des Bereichs des Elektrodenmusters zur Verbindung mit den y-Elektroden zeigt.
9 ist ein Grundriss eines 2DCT-Prototypen gemäß der zweiten Ausführungsform, der eine resistive Schicht zur Verbindung resistiver Elemente zwischen den y-Elektroden zeigt.
10 ist ein Grundriss eines 2DCT-Prototypen von 8, der das Elektrodenmuster und eine zweite Schicht von Verbindungen an der Peripherie des Elektrodenmusterbereichs zur Verbindung der x-Elektroden und auch zur Verbindung der externen Zuführungsleitungen der y-Elektrode mit den in 8 gezeigten Verbindungen der y-Elektrode zeigt.
11 ist ein schematischer Grundriss, der Teile eines Elektrodenmusters für eine dritte Ausführungsform zeigt.
12 ist ein Grundriss eines 2DCT-Prototypen gemäß der dritten Ausführungsform, der das Elektrodenmuster zeigt.
13 ist ein schematischer Grundriss, der Teile eines Elektrodenmusters für eine vierte Ausführungsform zeigt.
14 ist ein schematischer Grundriss, der Teile eines Elektrodenmusters für eine fünfte Ausführungsform zeigt.
15 ist ein schematischer Grundriss, der Teile eines beispielhaften Elektrodenmusters zeigt.
16 ist ein schematischer Grundriss einer Vorrichtung einer Glasberührungsbedienplatte, die einen die Erfindung verkörpernden 2DCT einschließt.
Detaillierte Beschreibung
2 ist ein schematischer Grundriss, der repräsentative Teile eines Elektrodenmusters für einen 2DCT einer ersten Ausführungsform zeigt, wobei das Elektrodenmuster einen empfindlichen Bereich (empfindliche Fläche) für die Vorrichtung definiert. Die Elektroden sind auf einem Substrat angeordnet, welches nicht ausdrücklich gezeigt ist, welches aber eine obere Oberfläche besitzt, die in der Papierebene liegt. Zweckmäßigerweise kann das Substrat ein flexibles, transparentes Kunststoffmaterial wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET) sein. Das Substrat ist im allgemeinen isolierend. Das Elektrodenmuster ist aus Indium-Zinnoxid (ITO) mit einem spezifischen Widerstand von einigen Hundert Ohm/Quadrat hergestellt. Dieses ist ein transparentes Material und deswegen für Displayanwendungen oder andere Anwendungen, wo eine darunterliegende Schaltfläche oder eine andere Maske sichtbar sein muss, geeignet.
Allgemeiner kann das Elektrodenmuster durch Abscheiden oder Entfernen irgendeines geeigneten leitfähigen Materials hergestellt sein. Die Abscheidung kann zum Beispiel durch Dampfabscheidung oder Siebdruck gemacht sein. Das Entfernen kann zum Beispiel durch Laser oder chemisches Ätzen gemacht werden.
Das Elektrodenmuster definiert y-Elektroden 10, 12 zur Bestimmung der y-Position und x-Elektroden 14, 16, 18, 20, 22, 24 zur Bestimmung der x-Position. Wie dargestellt, erstrecken sich die x-Elektroden und die y-Elektroden beide hauptsächlich in der x-Richtung und sind in der y-Richtung verschachtelt. Die y-Elektroden 10, 12 sind als einfache Balken geformt, das heisst ausgedehnte Rechtecke, wohingegen die x-Elektroden 14–24 sich verjüngende, dreieckige Formen haben.
Zuerst werden die x-Elektroden detaillierter beschrieben. Eine Beschreibung der y-Elektroden folgt.
Die x-Elektroden können in drei Gruppen eingeordnet werden. Eine erste Gruppe dreieckiger, sich verjüngender Elektroden 14, 24 ist an der linken und an der rechten Seite der empfindlichen Fläche angeordnet. Eine zweite Gruppe dreieckiger Elektroden 16, 22 mit doppelten Verjüngungen ist derart angeordnet, dass die Elektroden sich nach innen von jeweils der linken und rechten Seite der empfindlichen Fläche in Richtung auf das Zentrum erstrecken. Eine dritte Gruppe integral geformter x-Elektroden 18, 20 erstreckt sich vom Zentralrückgrat 26 nach außen jeweils nach links und nach rechts. Jene Benachbarte der Elemente der ersten und zweiten Gruppen 14, 16 und 24, 22 erstrecken sich gemeinsam in der x-Richtung über äußere Abschnitte I und IV der empfindlichen Fläche in Richtung jeweils auf die linken und rechten Seiten der empfindlichen Fläche. Jene Benachbarte der Elemente der zweiten und dritten Gruppen 16, 18 und 20, 22 erstrecken sich miteinander in der x-Richtung über jeweils innere Abschnitte II und III der empfindlichen Fläche beider Seiten des Zentralrückgrats.
Auf diese Weise bildet, wie in der Referenz [28] beschrieben, jedes paar sich miteinander erstreckender x-Elektroden der ersten und zweiten oder zweiten und dritten Gruppen einen sogenannten Schieber. Insbesondere ist der Schieber von einer Art und Weise, wie er in 15 der Referenz [28] dargestellt ist, deren relevanter Inhalt, welcher den Betrieb eines solchen Schiebers beschreibt, durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt dieser Schrift aufgenommen wird. Es versteht sich, dass die Elektrodenelemente in Relation zur betätigenden Vorrichtung, typischerweise ein menschlicher Finger, geeignet geformt und dimensioniert sind, um durch Überspannung ihrer gegenseitigen Erstreckung in der x-Richtung, d. h. einer Überlappung in der x-Richtung, ein verhältnisbezogenes, kapazitives Signal bereitzustellen.
Die linksseitigen doppelt verjüngten x-Elektroden 16 werden gemeinsam mit einer externen Leitung X1 durch eine leitfähige elektrische Leitung 30 verbunden, die in der y-Richtung an der linken Peripherie der empfindlichen Fläche nahe dem äußersten linken Rand der x-Elektroden 16 verläuft. Es wird angemerkt, dass die doppelt verjüngten Elektroden an ihren äußersten linken Enden Kontaktierungsfeldbereiche 33 haben, um diese externe Verbindung zu ermöglichen.
Die linksseitigen sich verjüngenden x-Elektroden 14 sind gemeinsam mit einer externen Leitung X2 durch eine leitfähige, elektrische Leitung 32 verbunden, die in der y-Richtung von der linken Peripherie der empfindlichen Fläche nahe des äußersten linken Randes der x-Elektroden 14 verläuft.
Die sich verjüngenden x-Elektroden 18 und 20, die vom Zentralrückgrat 26 abhängen, sind natürlich gemeinsam mit dem Rückgrat verbunden und haben mit der Peripherie der empfindlichen Fläche durch das Rückgrat 26 elektrischen Kontakt. Eine externe Leitung X3 verbindet das Zentralrückgrat durch eine elektrische Leitung 34, die mit der Basis des Zentralrückgrats 26 verbunden ist.
Die rechtsseitig sich verjüngenden x-Elektroden 24 sind gemeinsam mit einer externen Leitung X4 durch eine leitfähige, elektrische Leitung 36, die in der y-Richtung an der rechten Peripherie der empfindlichen Fläche nahe des äußerst rechten Randes der x-Elektroden 24 in ähnlicher Art wie die entsprechenden linksseitigen x-Elektroden 14 verläuft, verbunden.
Die rechtsseitig sich doppelt verjüngenden x-Elektroden 22 sind gemeinsam mit einer externen Leitung X5 durch eine leitfähige elektrische Leitung 38, die in der y-Richtung an der rechten Peripherie der empfindlichen Fläche nahe des äußersten rechten Randes der x-Elektroden 22 in ähnlicher Art wie die entsprechenden linksseitigen x-Elektroden 16 verläuft, mit Hilfe von vergrößerten Kontaktflächenbereichen 39 verbunden.
Auf diese Weise sind die x-Elektroden 14–24 extern mit fünf externen Leitungen X1–X5 zum Auslesen verbunden.
Die y-Elektroden sind vom Zentralrückgrat 26 nach links und nach rechts in zwei Sätze 10 und 12 aufgeteilt. Wie bereits gesagt, haben sie eine einfache Balkenform und sind zwischen jeden benachbarten x-Elektrodensätzen 14, 16, 18 links und 20, 22, 24 rechts angeordnet. Die y-Elektroden 10 und 12 sind vertikal in benachbarte Sätze durch leitfähige, elektrische Leitungen verbunden, daher ist die y-Auflösung der empfindlichen Fläche in dieser Ausführungsform auf eine vertikale Distanz begrenzt, die der vertikalen Erstreckung der zusammengeschalteten y-Elektroden entspricht. Dieses Zusammenscharen der y-Elektroden reduziert die y-Auflösung, wird aber gemacht, um die Anzahl der für die y-Elektroden benötigten externen Leitungen niedrig zu halten. Im dargestellten Beispiel wird der untere Satz von y-Elektroden, der aus vier Paar y-Elektroden besteht, gemeinsam mit einer elektrisch leitfähigen Leiterbahn 50, die ein Teil der externen Leitung Y1 bildet, verbunden. Obwohl aus dieser Figur nicht offensichtlich, ist jedes y-Elektrodenpaar der gleichen Höhe gemeinsam mit einer externen umherlaufenden Leiterbahn verbunden. Die nächste Konfiguration besteht aus drei Paaren von y-Elektroden, obwohl nur das erste Paar sichtbar und mit einer Leiterbahn 52 für eine weitere externe Leitung Y2 verbunden ist. Insgesamt gibt es sieben y-Elektrodensätze, die mit den jeweiligen externen Leitungen Y1–Y7 durch zugeordnete leitfähige Leiterbahnen verbunden sind. In dieser Ausführungsform wird der y-Wert von diesen sieben externen Leitungen genommen und stellt nur 7 y-Auflösungs-Einheiten für einen einfachen Steueralgorithmus bereit, obwohl eventuell zusätzliche y-Auflösung durch Interpolation zwischen benachbarten y Leitungen erreicht werden könnte.
Zusammenfassend stellt der 2DCT eine quasikontinuierliche x-Auflösung durch Schieber, die in vier Überlappbereichen I–IV in der x-Richtung angeordnet sind und die Breite der empfindlichen Fläche überspannen, in Kombination mit einer stufenartigen y-Auflösung durch horizontal sich erstreckende Elektrodenbalken, die gemeinsam in vertikal benachbarten Sätzen von 3 und 4 verbunden sind, bereit. Insgesamt werden 12 externe Leitungen verwendet, 5 für X und 7 für Y.
Die Kombination des Zentralrückgrats und der sich doppelt verjüngenden Elektroden erlaubt eine große Erstreckung der empfindlichen Fläche in der x-Richtung, um eine große empfindliche Fläche bereit zu stellen, die transparent und, ausgenommen an der Peripherie, frei von externen Verbindungen hergestellt werden kann. Außerdem bedeutet das Design des Elektrodenmusters, dass Handschatteneffekte nicht signifikant sind, da jegliche Verlagerung im Schwerpunkt des kapazitiven Signals vom physikalischen Ort des Fingers durch die laterale Erstreckung der Elektroden begrenzt ist. Zum Beispiel kann eine Vorrichtung mit einer empfindlichen Fläche einer 6 Inch (150 mm) Diagonalen in dieser Bauart hergestellt werden.
3 ist ein maßstabsgetreuer Grundriss mit einer 1:1 Skalierung – das heisst in tatsächlicher Größe – eines 2DCT Prototypen gemäß der ersten Ausführungsform, der das Elektrodenmuster und eine erste Verbindungsschicht an der Peripherie des Elektrodenmusterbereichs, zur Verbindung mit den y-Elektroden zeigt. Zur Erleichterung der Bezugnahme ist die Fläche, die durch die vorhergehende schematische Figur bedeckt wird, durch das punktierte Rechteck auf der Unterseite der Figur dargestellt. Ein annähernd skalierter Fingerumriss ist auch dargestellt.
Das allgemeine ITO Elektrodenmuster, welches den Hauptteil des Substrates 40 bedeckt, ist offensichtlich. In diesem Beispiel bedeckt das Muster einen rechteckigen Bereich, welcher sich an die Fläche des Berührungsschirmes oder einer anderen Vorrichtung, welche den abtastenden Teil bilden soll, angleicht. Die zuvor beschriebenen vier Überlappbereiche I–IV der x-Elektroden sind auch markiert. Das Substrat 40, welches im allgemeinen rechteckig ist, besitzt auch einen Ansatzstreifen 42 in der Mitte auf der linken Seite des Substrates. Der Ansatzstreifen 42 wird zur externen Kontaktierung, wie mit Bezug auf eine nachfolgende Figur beschrieben, verwendet. Auf der linken Seite des Substrates 40, der benachbarten Seite des Ansatzstreifens 42, ist zu sehen, dass es sieben Gruppen von leitenden Leiterbahnen 50–62 gibt, die externe Leitungen Y1–Y7 für die y-Elektroden bilden, wobei Leitungen Y2–Y7 jeweils mit drei y-Elektroden über die Leiterbahnen 52–62 verbunden sind und Leitung Y1 vier y-Elektroden über Leiterbahn 50 verbindet, so dass es auf der linken Seite der Vorrichtung sind insgesamt 22 y-Elektroden gibt, das heisst die Hälfte links vom Zentralrückgrat 26. Auf der rechten Seite gibt es eine exakt entsprechende Anordnung mit 22 y-Elektroden vereinigt (zusammengeführt) zu Dreien, ausgenommen der Unterseite, wo vier vereinigt sind. Die Leiterbahnen 50–62 der externen Leitungen Y1–Y7 laufen auf der rechten Seite des Substrates um das obere Ende des Substrates zur linken Seite des Substrates herum, so dass die entsprechenden Paare der linken und der rechten Seite und gemeinsam verbundene Gruppen von Paaren der y-Elektroden durch eine einzige leitfähige Leiterbahn verbunden sind.
4 ist ein Grundriss eines 2DCT Prototypen von 3, der das Elektrodenmuster und eine zweite Verbindungsschicht an der Peripherie des Elektrodenmusterbereichs zeigt, um die x-Elektroden zu verbinden und auch die externen Zuleitungen der y-Elektroden zu den y-Elektroden-Verbindungen, die in 3 gezeigt sind, zu verbinden. Zwischen den ersten und zweiten Schichten der 3 und 4 ist eine isolierende Schicht eingefügt, welche isolierende Bereiche bereitstellt, um elektrischen Kontakt zwischen bestimmten Teilen der ersten und zweiten Verbindungsschichten zu verhindern, und offene Bereiche, um elektrischen Kontakt zwischen bestimmten anderen Teilen der ersten und zweiten Verbindungsschichten sicherzustellen.
Die y-Elektrodenverbindungen werden zuerst beschrieben. Sieben leitfähige Leiterbahnen 44 erstrecken sich parallel in der x-Richtung entlang des oberen Teils des Ansatzstreifens 42 auf den linken Seitenteil des Hauptbereichs des Substrates 40. Dann fächern sie auf und hören mit einer vergrößerten Kontaktfläche 46 direkt über einem Teil der Leiterbahnen 50–62 in der ersten Verbindungsschicht der 3 für jede der y-Elektrodenverbindungen Y1–Y7 auf, so dass Signale zu und von jeder der y-Elektrodengruppen durch die externen Kontaktbahnen 44 ein- und ausgegeben werden können. Es gibt an jeder Kontaktfläche 46 offene Bereiche in der Isolierschicht, um elektrischen Kontakt zwischen jeder der Y1–Y7-Leiterbahnen 44 auf der zweiten Verbindungsschicht und der elektrischen Y1–Y7-Leitungsbahnen 50–62 in der ersten Verbindungsschicht sicherzustellen. Es gibt auch isolierende Bereiche in der Isolierschicht, die jede der Y1–Y7-Leiterbahnen bedecken, wo sie das ITO Muster überlagern, um die y-Elektroden an der linken und rechten Seite des Substrates zu kontaktieren.
Die x-Elektrodenverbindungen werden nun beschrieben. Die fünf elektrischen Leitungen 30–38 für die externen Verbindungen X1–X5 wurden schon mit Bezug auf 2 beschrieben und sind in der zweiten Verbindungsschicht des Prototyps in 5 ersichtlich. Wie ersichtlich werden die x-Elektroden-Verbindungen vollständig auf der zweiten Verbindungsschicht bereitgestellt, im Gegensatz zu den y-Elektrodenverbindungen, welche zwischen den ersten und zweiten Verbindungsschichten verteilt werden. Und zwar laufen die Leiterbahnen 30–38 um die Unterseite des Substrates 40 herum und kommen dann in 5 parallelen Leiterbahnen, welche zum Ansatzstreifen 42 geführt werden, zusammen, wo sie die 7 parallele y-Elektroden-Verbindungen treffen. Es ist bekannt, dass die x-Elektroden-Verbindungsleiterbahnen und -flächen, die an jeder Seite des ITO Bereiches vertikal nach oben laufen, um die x-Elektroden zu kontaktieren, von den y-Elektroden-Verbindungs-Leiterbahnen durch die Isolierschicht elektrisch isoliert sind.
5 ist eine schematische Systempegel-Zeichnung eines Multikanal-Sensor-Schaltkreises 140 für die Verwendung mit dem Berührungsschirm der ersten Ausführungsform. In dieser Figur ist der Sensorschaltkreis 140 mit fünf kapazitiven Elektrodeneingängen X1, X2, X3, X4 und X5 von den x-Elektroden und einem einzigen, die sieben Y-Elektrodeneingänge repräsentierenden kapazitiven Elektrodeneingang Y_n dargestellt. In der Realität gibt es sieben derartige Leitungen, eine für jeden y-Elektrodeneingang, um die insgesamt 12 benötigten Leitungen bereitzustellen. Eine Ladungssteuerungsleitung 157, die Ladeschalter 156 verwendet, die mit einer Referenzspannungsschiene 158 verbunden sind, wird zum gleichzeitigen laden aller kapazitiven Eingänge X1–X5 und Y1–Y7 verwendet.
In einer Variante wird die Steuerungsleitung 157 weggelassen und die Ladeschalter 156 durch einen Endwiderstand (pull-up Widerstand) ersetzt, der die verschiedenen Elektroden mit der Spannungsversorgung beständig verbindet. Der Endwiderstand besitzt einen Widerstand, gewählt um eine RC-Zeitkonstante größer als das Entladeintervall, das zur Entladung der Schicht in die Anordnung der Ladungsdetektoren benötigt wird, bereitzustellen. Der Widerstand kann zum Beispiel zwischen fünfzehn- und fünfundzwanzigtausend Ohm liegen.
Die Kanäle X1–X5 und Y1–Y7 arbeiten während des Transfers der Ladung zu den Ladungsdetektoren, wie in der Figur angedeutet, durch die Verwendung einer einzigen Entladungssteuerungsleitung 163, die Entladeschalter 162 betätigt, um alle geladenen Elektroden zu entladen, simultan. Nachdem der Transfer oder der Burst von Transfers stattgefunden hat, wählt ein Analogmultiplexer 182 aus, welcher der Ladungsdetektor-Kapazitätsausgänge dem Verstärker 184 und dem ADC 186 unter Steuerung eines Mikroprozessors 168 und daher zur externen Steuerung und zum Datenerfassungsschaltkreis, typischerweise ein PC, zugeführt wird. Zusätzlich wird eine Anordnung von Reset-Schaltern 188, die durch die Reset-Steuerungsleitung 190 gesteuert werden, nach jedem Puls oder Burst von Pulsen aktiviert, um die kapazitiven Eingänge auf eine bekannte Referenz (z. B. Masse) zurück zu setzen. Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass viele der Schaltkreiselemente eines jeden Kanalsensors in der Figur im Interesse der Übersichtlichkeit weggelassen wurden. Bezüglich der x-Kanäle X1–X5 müssen diese gesteuert und die Signale verarbeitet werden, um die verhältnisbezogene Information zu beachten, welche von diesen Signalen unter Verwendung des „Schieber”-Denkansatzes, der in den Patentpublikationen des Standes der Technik von Harald Philipp, wie zum Beispiel den Referenzen [28] und [30], beschrieben ist, erhalten wird. Weitere Details des Sensorschaltkreises und der Verfahren des Treibens des Sensorschaltkreises mit Bursts usw. sind in den Patentpublikationen des Standes der Technik von Harald Philipp, wie zum Beispiel den Referenzen [28], [30] und [34], verfügbar.
In Zusammenfassung der ersten Ausführungsform versteht es sich, dass dieses Design ein zentrales, symmetrisches Elektrodenmuster mit einem Zentralrückgrat besitzt, das den Sensorbereich in linke und rechte Hälften teilt. Das Zentralrückgrat formt den Stamm eines Weihnachtsbaums, wobei die Zweige des Baumes sich einfach verjüngende Elektroden sind, die sich von jeder Seite des Stammes weg erstrecken, um sich mit der zweiten Verjüngung der zwei Sätze sich doppelt verjüngender Elektroden gemeinsam zu erstrecken, die extern mit den Seiten des Sensorbereichs verbunden sind, von welchen die ersten Verjüngungen sich mit weiteren zwei sich einfach verjüngenden Eketrodensätzen, die auch extern mit den Seiten des Sensorbereichs verbunden sind, gemeinsam erstrecken. Diese Elektroden, die alle zum Erfassen in der horizontalen Richtung vorgesehen sind, sind in der vertikalen Richtung mit Balken verschachtelt, die extern mit den Seiten des Sensorbereichs verbunden sind und vertikale Positionserfassungselektroden bilden. Die Erfassungsfläche arbeitet mit 12 externen Verbindungen, fünf für die Horiozontalerfassung, die mit jedem der Verjüngungselektrodensätzen verbunden sind, und sieben für die 22 vertikalen Elektrodenzeilen, wobei diese Reduzierung durch gemeinsame Verbindung von vertikal benachbarten Gruppen von 3 oder 4 vertikalen Elektrodenzeilen erreicht wird, um die Gesamtanzahl der externen Verbindungen auf Kosten des Verlustes der Vertikalauflösung zu reduzieren. Ferner ist beschrieben worden, wie die Struktur aus vier Schichten aufgebaut ist, zwei für die Verbindungen, eine Isolierschicht, um die Verbindung zwischen den Verbindungsschichten zu steuern, und eine Elektrodenmusterschicht, auf welche verzichtet werden kann und welche direkt auf einer der Verbindungsschichten gebildet werden kann.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. In den meisten Gesichtspunkten ist die zweite Ausführungsform die Gleiche wie die erste Ausführungsform. Das gleiche ITO Elektrodenmuster wird verwendet. Ferner sind die externen Verbindungen für die x-Elektroden exakt die Gleichen, so dass die Elektrodenmusterschicht und die erste leitfähige Schicht exakt die Gleichen sind. Der Unterschied zwischen der zweiten Ausführungsform und der ersten Ausführungsform liegt in der y-Erfassung. In der ersten Ausführungsform stellen die y-Elektrodenbalken eine diskrete y-Positionsinformation bereit, mit einer Auflösung, die durch die vertikale Separierung der y-Elektrodenbalken definiert ist, oder, für den Fall, dass mehrere benachbarte y-Elektrodenbalken gemeinsam verbunden sind, um die Anzahl der externen Verbindungsleitungen zu reduzieren, durch die vertikale Separierung jeder Gruppe gemeinsam verbundener y-Elektrodenbalken definiert ist. In der zweiten Ausführungsform wird die gleiche y-Elektrodenanordnung verwendet, das heisst horizontale Balken sind zwischen den x-Elektroden verschachtelt, aber die y-Elektrodenbalken sind resistiv in einer sogenannten Schieberanordnung [28] miteinander verbunden, um eine quasi-kontinuierliche Positionsinformation in der vertikalen Richtung zu erlauben, die durch Verbindung mit einem geeigneten externen Messtechnikschaltkreis erhalten wird.
6 ist ein schematischer Grundriss, der Teile eines Elektrodenmusters und y-Verbindungen für einen 2DCT einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Ein ungefähr maßstabsgetreuer Finger einer Person ist auch gezeigt. Die x-Elektroden und ihre externen Verbindungsbahnen sind zur Übersichtlichkeit weggelassen. Die Figur zeigt einen Mittelteil der linken Hälfte der Erfassungsfläche, welche, ähnlich zur ersten Ausführungsform, eine Anzahl von vertikalen Offset-y-Elektrodenbalken 10 besitzt, wobei dreizehn dargestellt sind. Jeder Balken ist mit seinem/seinen vertikal benachbarten Balken durch eine elektrisch leitfähige, das heisst metallische, Leitung 70 mit einem dazu in Serie geschalteten diskreten Widerstand 72 verbunden. Die y-Elektrodenbalken 10 sind extern über leitfähige Bahnen verbunden, welche zu externen Verbindungsleitungen für die y-Erfassung führen. In der Figur sind vier derartige externe Verbindungsleitungen 54'–60' gezeigt, die mit jeder dritten oder vierten y-Elektrode verbunden sind.
Elektrisch stellen die Widerstände 72 und ihre Zusammenschaltungen 70 einen resistiven Pfad zwischen den benachbarten y-Elektrodenbalken 10 bereit, und dieser resistive Pfad erstreckt sich zwischen vertikal benachbarten Paaren leitfähiger externer Verbindungsleitungen 54' und 56', 56' und 58' usw.. (Im Falle irgendeines Paares benachbarter Leitungen, z. B. 54' und 56', ist dies elektrisch identisch mit einem Schieber der Ausführungsform von 6a von Referenz [28].) Eine verhältnisbezogene Analyse wird zur Verwendung der y-Position, wie in Referenz [28] beschrieben, verwendet, zum Beispiel durch Verwendung von Messtechnikschaltkreisen, wie in Referenz [28] beschrieben, oder anderen für diesen Zweck in der Technik bekannten Messtechnikschaltkreisen.
Im allgemeinen müssen minimal zwei derartige externe Verbindungen in der zweiten Ausführungsform vorhanden sein, welche Endverbindungen des Schiebers bilden. Diese Endverbindungen sollten vorzugsweise mit der allerobersten und der alleruntersten y-Elektrode oder wenigstens mit denjenigen nahe dem obersten Ende und dem untersten Ende verbunden sein. Es ist auch von Vorteil, eine oder mehr zusätzliche externe Verbindungen zwischen diesen beiden Endverbindungen bereitzustellen, um die y-Positionserfassungsgenauigkeit durch Bildung mehrerer Schieber entlang der y-Richtung zu verbessern. Normalerweise existiert ein durch die Kosten auferlegter Wunsch, die Anzahl der externen Verbindungen auf eine fixierte Anzahl zu begrenzen, in welchem Falle so viele externe Verbindungen von y-Elektroden bereitgestellt werden können, wie es freie externe Leitungen nach der Aufteilung genügender x-Elektroden-Leitungen gibt.
7 ist ein schematischer Grundriss ähnlich der 6, der Teile eines Elektrodenmusters und y-Verbindungen für eine Variante der zweiten Ausführungsform zeigt. Die y-Elektrodenbalken 10 und externen Verbindungsleitungen 52'–60' bedienen dieselben Funktionen, wie mit Referenz auf 6 beschrieben wurde. In dieser Variante ist, anstelle der Verwendung diskreter Widerstände, um vertikal benachbarte y-Elektroden zu verbinden, ein resistiver Streifen 74 von gleichförmigem Widerstand pro Einheitslänge (in der y-Richtung) vorgesehen, der sich vertikal über jeden der y-Elektrodenbalken erstreckt. Da die Elektrodenbalken im wesentlichen metallisch, d. h. leitfähig, sind, sind die den y-Elektroden aufliegenden Teile des resistiven Streifens elektrisch inaktiv, da sie, mit Blick in vertikaler Richtung, effektiv parallel mit der y-Elektrode verbunden sind und daher kurzgeschlossen sind. Die Teile des resistiven Streifens zwischen jedem y-Elektrodenbalken bilden deswegen auf die gleiche Weise, wie die diskreten Widerstände von 6, einen resistiven Pfad zwischen jeder y-Elektrode. Der resistive Streifen 74 ist aus einem hochohmigen Film, zum Beispiel einem kohlenstoffbasierten Dickfilm, gemacht.
8 ist ein Grundriss eines 2DCT-Prototypen gemäß der zweiten Ausführungsform, der das Elektrodenmuster und eine erste Verbindungsschicht an der Peripherie des Bereichs des Elektrodenmusters zur Verbindung mit den y-Elektroden zeigt. 8 muss mit 3 der ersten Ausfürungsform verglichen werden. Im Wesentlichen trägt das Substrat 40 mit dem Ansatzstreifen 42 die gleiche Struktur, die einzigen Unterschiede sind, dass nur jede dritte oder vierte y-Elektrode durch die externen Verbindungsleitungen 50'–60' verbunden ist, wobei die gemeinsame Verbindung der ersten Ausführungsform weggelassen wurde. Eine Ausnahme sind die unteren zwei y-Elektroden, welche gemeinsam mit der elektrischen Bahn 50' verbunden sind. Ferner muss beachtet werden, dass die y-Elektroden durch insgesamt sechs anstatt sieben externen Leitungen Y1–Y6 bedient werden.
9 ist ein Grundriss eines 2DCT-Prototypen gemäß der zweiten Ausführungsform, der eine resistive Schicht zur Verbindung resistiver Elemente zwischen den y-Elektroden zeigt. Diese Schicht ist der zweiten Ausführungsform eigen und stellt den resistiven Pfad 74 bereit, welcher sich vertikal nach oben auf jeder Seite der Erfassungsfläche über die Enden der äußeren Enden der y-Elektrodenbalken erstreckt. Jeder vertikal sich erstreckende resistive Pfad 74 wird durch eine einzelne Bahn eines Materials mit geeignetem spezifischen Widerstand gebildet. Es wird angemerkt, dass diese Schicht auch teilweise mit hoch-resistivem Material 75 (Grauschattierung) bedeckt ist, welche die peripheren Bereiche des Substrates und auch einen zum Hauptteil des Substrates benachbarten Teil des Ansatzstreifens bedeckt. Das resistive Material endet in einer kronenreichen oder zinnenreichen Formgestaltung 74, die über den zugeordneten resistiven Materialpfad 74 vor und zurück alterniert, so dass der resistive Pfad 75 sich direkt mit äußeren Endabschnitten von jedem der y-Elektrodenbalken verbindet, aber dort bedeckt ist, wo er die Enden der x-Elektroden kreuzt, wobei eine unerwünschte elektrische Wechselwirkung mit den x-Elektroden vermieden wird. Eine Alternative würde in einem mäandernden Pfad 74 bestehen, der z. B. einem kronenförmigen oder zinnenförmigen Pfad folgt, um die Kreuzung der x-Elektrodenenden zu vermeiden.
10 ist ein Grundriss eines 2DCT-Prototypen von 8, der das Elektrodenmuster und eine zweite Schicht von Verbindungen an der Peripherie des Elektrodenmusterbereichs zur Verbindung mit den x-Elektroden und auch zur Verbindung der externen Zuführungsleitungen der y-Elektrode mit den in 8 gezeigten Verbindungen der y-Elektrode zeigt. Dieser ist fast mit 4 der ersten Ausführungsform identisch, außer der Tatsache, dass es eine Y Leitung weniger gibt. Und zwar sind die externen Verbindungen der x-Elektrode X1–X5 und die zugeordneten Bahnen 30–38 die Gleichen, ebenso sind es die externen Verbindungsleitungen 44 für die Y-externen Verbindungen Y1–Y6, die sich vom Ansatzstreifen 42 erstrecken, um sich mit den Anpassungsbahnen der ersten Verbindungsschicht zu verbinden (außer der Tatsache, dass es in dieser zweiten Ausführungsform eine weniger gibt). Ferner wird die Isolierschicht mit geeigneten offenen Bereichen und isolierenden Bereichen ähnlich der ersten Ausführungsform bereitgestellt.
Der Treiber- und Datenerfassungschaltkreis wird ähnlich dem in Beziehung zur ersten Ausführungsform oben Beschriebenen sein, außer dass in diesem Fall eine „schieber”-artige Handhabung der y-Elektrodensignale ebenso wie für die x-Elektrodensignale erforderlich sein wird. Wie schon erwähnt, wird ein geeigneter Schaltkreis in Patentveröffentlichungen des Standes der Technik von Harald Philipp veröffentlicht, wie zum Beispiel in den Referenzen [28], [30] und [34].
11 ist ein schematischer Grundriss, der Teile eines Elektrodenmusters für eine dritte Ausführungsform zeigt. Anders als die erste und zweite Ausführungsform hat die dritte Ausführungsform kein Zentralrückgrat. Stattdessen wird der zentrale Abschnitt der Erfassungsfläche durch einen Bereich von sich zusammen erstreckenden Gruppen von sich doppelt verjüngenden Elektroden definiert, die extern mit den linken und rechten Seiten der Vorrichtung kontaktieren. Mit Bezug auf die Figur sind die y-Elektroden 10 einzelne Balken, wobei sich jeder, bei Abwesenheit eines Zentralrückgrats, quer von einer Seite der Erfassungsfläche zur anderen Seite erstreckt. Die y-Elektroden 10 können entweder ausschließlich von der linken Seite oder der rechten Seite oder teilweise von jeder Seite oder in redundanter Weise von beiden Seiten kontaktiert sein. Die x-Elektroden sind zwischen jedem vertikal benachbarten Paar von y-Elektroden 10 angeordnet und bestehen aus vier Gruppen von x-Elektroden 80, 82, 84 und 86. Die x-Elektrodengruppen 80 und 86 sind sich einfach verjüngende Elektroden, die sich jeweils von den linken und rechten Seiten der Erfassungsfläche erstrecken. Die x-Elektrodengruppen 82 und 84 sind sich doppelt verjüngende Elektroden, die sich auch jeweils von den linken und rechten Seiten der Erfassungsfläche erstrecken. Der empfindliche Teil der Erfassungsfläche für die x-Auflösung wird durch drei Abschnitte mit gegenseitiger Erstreckung der unterschiedlichen x-Elektrodengruppen gebildet, nämlich einem ersten Abschnitt I auf der linken Seite der empfindlichen Fläche, der durch die Miterstreckung in der x-Richtung der Elektrodengruppen 80 und 82 definiert ist, einem zweiten Abschnitt II im zentralen Bereich der empfindlichen Fläche, der durch die Miterstreckung in der x-Richtung der sich doppelt verjüngenden x-Elektrodengruppen 82 und 84 definiert ist, und einem dritten Abschnitt III auf der rechten Seite der empfindlichen Fläche, der durch die Miterstreckung in der x-Richtung der x-Elektrodengruppen 84 und 86 definiert ist. Auf diese Art formt jedes benachbarte Paar von gemeinsam erstreckenden x-Elektroden der ersten und zweiten, oder zweiten und dritten, oder dritten und vierten Gruppe einen sogenannten Schieber, wie in Referenz [28] beschrieben. Die externen Verbindungen sind ähnlich zu den ersten und zweiten Ausführungsformen und aus diesem Grunde hier nicht erneut gezeigt. Allerdings wird angemerkt, dass vier externe Verbindungsleitungen X1–X4 für die x-Elektroden benötigt werden. Für die y-Elektroden sind dieselben Betrachtungen wie für die ersten und zweiten Ausführungsformen anwendbar. In dieser Hinsicht wird angemerkt, dass für die dritte Ausführungsform die y-Elektrodenadressierung entweder der ersten oder der zweiten Ausführungsform folgen kann.
12 ist ein Grundriss eines 2DCT-Prototypen gemäß der dritten Ausführungsform, der das Elektrodenmuster zeigt. Dieser übernimmt die Musterstruktur von 12 mit 15 Zeilen von x-Elektrodensätzen verschachtelt mit 16 Zeilen von y-Elektrodenbalken. Es sei angemerkt, dass das Substrat 40 seinen Ansatzstumpf 42 an der Unterseite angeordnet hat, welches für diese Ausführungsform eine dienlichere Bereitstellung ist. Die unteren vier y-Elektrodenbalken werden gemeinschaftlich verbunden (der Herangehensweise der ersten Ausführungsform folgend) und die anderen y-Elektrodenbalken werden gemeinschaftlich in Gruppen zu drei verbunden, um eine y-Auflösung bereitzustellen, die auf fünf diskrete Zeilen begrenzt ist, die mit externen Messtechnikschaltkreisen mit fünf Leitungen Y1–Y5 verbunden sind. Eine Verbesserung in der y-Auflösung würde durch Modifizierung des Prototyps erreicht werden, um der Herangehensweise der zweiten Ausführungsform zu folgen. Jede der vier x-Elektrodengruppen besitzt jeweils ihre eigenen externen Leitungen X1–X4. Deswegen gibt es insgesamt neun externe Verbindungsleitungen. Der kürze halber sind die anderen Schichten des Prototyps dieser Ausführungsform nicht gezeigt, aber es versteht sich, dass allgemein ähnliche Herangehensweisen wie für die ersten und zweiten Ausführungsformen angenommen werden.
13 ist ein schematischer Grundriss, der Teile eines Elektrodenmusters für eine vierte Ausführungsform zeigt. Die x-Elektroden 82, 84, 86, 88 sind in der gleichen Art wie in der dritten Ausführungsform angeordnet, um drei empfindliche Spalten der x-Position des Überlapps I, II und III der x-Elektroden bereitzustellen. (In einer Alternative könnten die x-Elektroden wie in den ersten und zweiten Ausführungsformen angeordnet sein.) Allerdings haben in der vierten Ausführungsform die y-Elektroden eine andersartige Ausgestaltung als die vorausgehenden Ausführungsformen. In der vierten Ausführungsform folgen die y-Elektroden nämlich dem verhältnisbezogenen Paarungsansatz des Standes der Technik, der in 1 der begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, das heisst der y-Elektrodenstruktur, die in 4 von Referenz [30] gezeigt ist.
In dieser Ausgestaltung gibt es für jede Einheit des Elektrodenmusters zwischen jeden benachbarten Zeilen von x-Elektroden 82, 84, 86, 88 Paare von benachbarten unabhängig adressierten y-Elektroden unterschiedlicher Fläche, so dass, wenn ein Benutzerfinger oder ein anderer Aktuator in der Nähe dieser Elektroden ist, die zwei benachbarten unabhängig adressierten y-Elektroden jeweils Signale bereitstellen, die eine Größe haben, die mit ihrer relativen Fläche skaliert. Das Verhältnis zwischen diesen Signalen wird für die y-Position innerhalb jeder y-Elektrodeneinheit durch Verändern der relativen Fläche von benachbarten Paaren von unabhängig adressierten y-Elektrodenbalken in jeder Zeile charakteristisch gemacht. Im dargestellten Beispiel hat jede Einheit 5 y-Elektrodenzeilen mit den Flächenverhältnissen von oben nach unten von 1:0, 1:2, 1:1, 2:1, 0:1, wobei der erste Wert von dem Signal ist, das von einem ersten Satz 90 von gemeinsam verbundenen y-Elektroden 92, 94, 96, 98 stammt und der zweite Wert von dem Signal ist, das von einem zweiten Satz 100 von gemeinsam verbundenen y-Elektroden 102, 104, 106, 108 stammt. Ein Nullwert bezeichnet, dass für diese Zeile die y-Elektrode ausschließlich von einer y-Elektrode von dem anderen Satz gebildet ist, was für dieses Beispiel für die obere und untere y-Elektrodenzeile von jeder Einheit der Fall ist. Der erste Satz 90 ist extern mit Leitung Y1 und der zweite Satz 100 mit Leitung Y2 verbunden. Jede weitere Elektrodenmustereinheit wird weitere zwei externe Y-Verbindungen benötigen. Zum Beispiel wird es in einem Sensor, der die Elektrodenmustereinheit verwendet, die in 13 mit 15 Zeilen von y-Elektroden und 14 Zeilen von x-Elektroden dargestellt ist, 3 Einheiten geben, die sechs Y-Verbindungen Y1–Y6 und vier X-Verbindungen X1–X4 benötigen, das heisst insgesamt 10.
Im Prinzip kann jede Anzahl von y-Elektrodenzeilen in eine Einheit mit zwei Sätzen gemeinsam adressierter y-Elektroden gruppiert werden. In der Praxis wird die Anzahl allerdings durch Genauigkeitsbeschränkungen begrenzt sein. Die Anzahl der y-Elektrodenzeilen pro Einheit beträgt wenigstens 3, kann aber auch 4, 5 (wie in der Darstellung), 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr betragen.
Es versteht sich, dass, obwohl im dargestellten Beispiel y-Elektrodenpaare verwendet werden, im Prinzip 3 oder mehr y-Elektroden verwendet werden könnten und ihre relativen Flächen zur Positionsverschlüsselung verwendet werden, wobei es für einen gegebenen Rauschpegel möglich wäre, größere Einheiten zu bilden, das heisst Einheiten, in denen größere Anzahlen von Zeilen von einem einzelnen Paar von externen y-Positionsverbindungen adressiert werden können.
Obwohl es überdies dienlich für den Prozessierungsschaltkreis ist, ein in jeder Einheit mit der y-Position sanft variierendes Verhältnis des Oberflächenbereichs, wie im Beispiel dargestellt, zu erzeugen, kann diese Varianz mit einem geeignetem Prozessierungsschaltkreis im Prinzip willkürlich in y sein.
Der Y-Satz besteht aus alternierenden mit Y1 verbundenen und mit Y2 verbundenen rechteckigen Streifen 3 bzw. 4 mit einer y-Achsendimension, die mit der Platzierung in solch einer Art variiert, um ein sanft variierendes Verhältnis der Oberflächenfläche zwischen Y1 und Y2 mit der Position Y zu erzeugen. Die Summe jedes benachbarten Paares der y-Achsenstreifen 3 und 4 ist konstant gehalten, so dass die Summe der Kapazität für irgendwelche zwei gepaarten Streifen die Gleiche ist, das heisst C(Y1) + C(Y2) = C(Y) für jedes Streifenpaar. Dann wird, wenn die Benutzerfinger sich entlang der y-Achse bewegen, der größere Kapazitätswert der Zähler werden.
14 ist ein schematischer Grundriss, der ein Teil eines Elektrodenmusters für eine fünfte Ausführungsform zeigt. Hier unterscheidet sich das Muster von jenen der vorausgehenden Ausführungsformen dadurch, dass die Form der sich doppelt verjüngenden x-Elektroden 16' von einem „Storchenschnabel” (einer Storchenschnabelform) zu einer „Fliegen”-Form invertiert sind, in welchem die Verjüngung auf die Mitte der doppelten Verjüngung anstatt weg von der Mitte gerichtet ist. Diese sich doppelt verjüngende Form ist mit Bezug auf eine Ausführungsform mit einem Rückgrat 26' gezeigt, obwohl sie auch in rückgratfreien Designs angewendet werden kann. Die sich einfach verjüngenden x-Elektroden 14', 18' sind dementsprechend invertiert, um die erforderliche Miterstreckung mit der fliegenartigen, sich doppelt verjüngenden Elektrode 16' zu bilden.
15 ist ein schematischer Grundriss, der Teile eines beispielhaften Elektrodenmusters zeigt, das nicht Bestandteil der Erfindung ist. Dieses Beispiel kann durch Vergleich mit der ersten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, verstanden werden. Wie in der ersten Ausführungsform ist die empfindliche Fläche durch das Zentralrückgrat 26'' in linke und rechte Hälften unterteilt. Die y-Erfassung wird durch y-Elektrodenbalken 10'' und 12'' der linken und rechten Seite durchgeführt, welche jeweils mit Zeilen von x-Elektroden 14'', 16'', 18'' und 20'', 22'', 24'' der linken bzw. rechten Seite verschachtelt sind. Es wird angemerkt, dass die gleichen Bezugszeichen für die Bezugsziffern der entsprechenden Elektroden mit einem doppelten Strich, der für die sechste Ausführungsform hinzugefügt wurde, verwendet werden.
Obwohl die allgemeine Anordnung der x- und y-Elektroden die Gleiche wie für die erste Ausführungsform ist und auch die Form der y-Elektroden die Gleiche ist, weicht die Form der x-Elektroden ab. Anstatt einer glatten dreieckigen Verjüngung, um die Bereiche der Miterstreckung zu bilden, haben die x-Elektroden eine mit Zinnen versehene Form, in welchen die Miterstreckung zwischen den x-Elektrodengruppen 14'' und 16'', 16'' und 18'', 20'' und 22'', und 22'' und 24'' durch eine Verzahnung in der y-Richtung gebildet wird, wobei benachbarte Blöcke von sich miteinander erstreckenden Elektrodenpaaren definierte Verhältnisse Flächen haben, die spezifisch für die x-Position sind. Die gewünschte x-abhängige Änderung in den verhältnisbezogenen Signalen, die von den sich miteinander erstreckenden x-Elektrodenpaaren abstammt, wird mit Blick auf die Flächenverhältnisse, die in der y-Richtung durch die verzahnte Form bereitgestellt werden, sofern die Betätigungsfläche, z. B. ein Fingerkontaktbereich, von einer angemessenen Größe ist, wie schematisch in der Figur mit dem gestrichelten Oval auf der linken Hälfte der Erfassungsfläche angedeutet, dennoch erreicht. Die verzahnte Ausgestaltung kann für eine Sensorfläche bevorzugt werden, die prinzipiell für Anordnungen von Tasten verwendet wird, da sie einen stufenweisen Wechsel in der x-Positionsinformation entsprechend der Breite jeder verzahnten Einheit, in der Figur als 'w' dargestellt, bereitstellt. Auf diese Weise kann sowohl den x- als auch den y-Positionsinformationen eine stufenweise Empfindlichkeit gegeben werden, welches eine bevorzugte Implementierung für eine Tastenanordnung ist. Im dargestellten Beispiel kann gesehen werden, dass es 14 Stufen in den verhältnisbezogenen Signalen der x-Position gibt, sieben auf jeder Seite des Rückgrates 26''.
Diese Art der Ausführungsform mit stufenweiser Empfindlichkeit in sowohl horizontalen als auch in vertikalen Richtungen zur theoretischen Unterteilung des empfindlichen Bereichs in ein rechteckiges Gitter muss mit den zweiten und vierten Ausführungsformen verglichen werden, wo es quasikontinuierliche Empfindlichkeit sowohl horizontal als auch vertikal gibt, die durch schiebertypische Konfigurationen sowohl der x- als auch der y-Elektroden herbeigeführt wird.
16 ist ein schematischer Grundriss einer Vorrichtung eines Glasberührungseingabefeldes, die einen 2DCT gemäß jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung einschließt. Die zuvor beschriebene 2DCT-Sensorfläche, die auf dem Substrat 40 getragen wird, ist auf der Unterseite einer Glasbedienplatte 116, z. B. von 5 mm Dicke, mit einer Tastenmusterfolie 110, die zwischen die Unterseite der Glasbedienplatte 116 und dem Substrat 40 eingelegt ist, angebracht. Die Tastenmusterfolie 110 ist eine statisch gedruckte Folie, kann aber in anderen Fällen mit einer Anzeigevorrichtung ausgetauscht werden, welche dynamisch zwischen mehreren Tastenmustern und/oder Anzeigen mit Kontinuumseigenschaften, wie zum Beispiel einer Projektion eines länglichen Balkens zur Steuerung irgendeiner skalaren Größe, wie zum Beispiel der Leistung oder der Zeit, welche zur Steuerung der Vorrichtung relevant ist, in welcher der 2DCT integriert ist, wechseln kann. Im Allgemeinen muss die Bedienplatte nicht aus Glas sein, sondern kann irgendein geeignetes dielektrisches Material sein. Normalerweise wird sie transparent sein, um die Integration mit einer statischen oder dynamischen Anzeige zu erlauben. Die Bedienplatte wird typischerweise Teil einer größeren Vorrichtung bilden, wie zum Beispiel die Tür eines Mikrowellenofens, die Deckenplatte eines Kochers oder das Gehäuse eines Arbeitsfluss-Verfolgungs-Handgerätes im Arbeitseinsatz durch Servicepersonal.
Beispielhaft ist die Tastenmusterfolie 110 dargestellt, die eine Anordnung entsprechend eines 5 × 6 Gitters mit einer Taste mit doppelter Größe in der unteren rechten Ecke zeigt, um dadurch insgesamt 30 – 1 = 29 Tasten bereitzustellen. Die externen Verbindungsleitungen von der Sensorfläche werden durch den Ansatzstreifen 42 an einen Messtechnikschaltkreis geliefert, der durch eine Leiterplatte (PCB) 112 getragen wird. Die Messtechnikschaltkreis-PCB ist an das Ende des Ansatzstreifens 42 angefügt und auch mit der Unterseite der Glasbedienplatte 116 fixiert. Elektrische Verkabelung 114 verbindet den Messtechnikschaltkreis mit weiteren Digitalelektroniken und einer Leistungsversorgung.
Es versteht sich, dass die Erfindung verkörpernde 2DCTs eine Vielzahl zusätzlicher Eigenschaften beinhalten können. In einigen Anwendungen zum Beispiel ist es wünschenswert eine „Weck”-Funktion zu haben, wobei die gesamte Vorrichtung „schläft” oder sich in irgendeinem Ruhe- oder Hintergrundzustand befindet. In solchen Fällen ist es oft wünschenswert, ein Aufwecksignal aus bloßer Näherung eines einigen Abstandes entfernten menschlichen Körperteils zu haben. Das Element kann als einzige große kapazitive Elektrode ohne Rücksicht auf die Positionsortung betrieben werden, während die Einheit im Hintergrundzustand ist. Während dieses Zustandes schaut die elektronische Treiberlogik nach einem sehr kleinen Signalwechsel, der nicht notwendigerweise ausreichend ist, um eine 2D-Koordinate zu verarbeiten, aber genügend ist, um zu bestimmen, dass ein Objekt oder Mensch in der Nähe ist. Die Elektronik „weckt” dann das Gesamtsystem „auf” und das Element wird betrieben, um erneut zu einem wahren 2DCT zu werden.
Referenzen

Claims

Zweidimensionaler Positionssensor, umfassend ein Substrat (40) mit einer empfindlichen Fläche, die durch ein Elektrodenmuster, das Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) zur Bestimmung einer x-Position und Elektroden (10, 12) zur Bestimmung einer y-Position beinhaltet, definiert ist, wobei die x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) und y-Elektroden (10, 12) sich in einer x-Richtung erstrecken und in einer dazu senkrechten y-Richtung verschachtelt sind, und wobei die x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) derart geformte erste, zweite und dritte Gruppen von Elementen umfassen, dass sich benachbarte Elemente der ersten und der zweiten Gruppe miteinander in der x-Richtung über einen Abschnitt (I) der empfindlichen Fläche erstrecken und sich benachbarte Elemente der zweiten und der dritten Gruppe miteinander in der x-Richtung über einen anderen Abschnitt (II) der empfindlichen Fläche erstrecken, so dass die x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) jeweils verhältnisbezogene kapazitive Signale bereitstellen, welche die empfindliche Fläche in der x-Richtung überspannen, ein Zentralrückgrat (26), das sich von der Peripherie der empfindlichen Fläche in der y-Richtung erstreckt, um die Elemente (18, 20) der dritten Gruppe der x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) zusammenzuschalten, welche sich von beiden Seiten des Zentralrückgrates (26) erstrecken, dabei den Elementen (18, 20) der dritten Gruppe von x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) erlaubt, extern von der Peripherie der empfindlichen Fläche kontaktiert zu werden, eine Vielzahl von externen elektrischen Leitungen, die mit den Elektroden in der Peripherie der empfindlichen Fläche verbunden sind, beinhaltend: eine elektrische Leitung (34), die mit dem Zentralrückgrat (26) verbunden ist, dabei die dritte Gruppe der x-Elektroden (18, 20) kontaktiert, wobei das Zentralrückgrat (26) die empfindliche Fläche in eine linke und eine rechte Seiten unterteilt; eine elektrische Leitung (32) die mit den Elementen (14) der ersten Gruppe von x-Elektroden (14, 24) auf der linken Seite des Zentralrückgrates (26) verbunden ist; eine elektrische Leitung (36), die mit den Elementen (24) der ersten Gruppe von x-Elektroden (14, 24) auf der rechten Seite des Zentralrückgrates (26) verbunden ist; eine elektrische Leitung (30), die mit den Elementen (16) der zweiten Gruppe von x-Elektroden (16, 22) auf der linken Seite des Zentralrückgrates (26) verbunden ist; eine elektrische Leitung (38), die mit den Elementen (22) der zweiten Gruppe von x-Elektroden (16, 22) auf der rechten Seite des Zentralrückgrates (26) verbunden ist; und eine Vielzahl von elektrischen Leitungen (50, 52), die mit den y-Elektroden (10, 12) verbunden sind, wobei die Elemente von jeweiligen Gruppen von x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24), welche sich miteinander erstrecken, komplementäre Verjüngungen über ihre Distanz der Miterstreckung haben, um die verhältnisbezogenen kapazitiven Signale bereitzustellen.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die y-Elektroden (10, 12) individuell und/oder in Gruppen mit jeweiligen externen elektrischen Leitungen (Y1, ..., Y7) verbunden sind, die dabei die Positionsinformation in der y-Richtung bereitstellen.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die y-Elektroden (10, 12) durch resistive Elemente (72) zusammengeschaltet sind, so dass verhältnisbezogene kapazitive Signale durch externe elektrische Leitungen (50, 52, 54, 56, 58, 60) ausgegeben werden, die mit einer Untermenge von y-Elektroden (10, 12) verbunden sind, die dabei die Positionsinformation in der y-Richtung bereitstellen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die x-Elektroden (14, 16, 18, 20, 22, 24) und die y-Elektroden (10, 12) aus einem transparenten Material gemacht sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (40) aus einem transparenten Material gemacht ist.